光纖傳感技術(shù)在房屋監(jiān)測中的應(yīng)用探索

■ 李 超 Li Chao

光纖傳感技術(shù)在房屋監(jiān)測中的應(yīng)用探索

■ 李 超 Li Chao

為探索光纖傳感技術(shù)在房屋監(jiān)測中的應(yīng)用效果，同時采用光纖傳感技術(shù)和傳統(tǒng)人工測量技術(shù)兩種方式，對房屋的相對沉降、傾斜和裂縫發(fā)展三方面信息進(jìn)行了監(jiān)測，并對兩種測量方式的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)人工技術(shù)測量結(jié)果基本接近。

光纖傳感技術(shù)；相對沉降；傾斜；裂縫發(fā)展

0 引言

光纖傳感技術(shù)是通過對光纖內(nèi)傳輸光某些參數(shù)（如強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等）變化的測量，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的測量。按照折射率的分布，光纖光柵可以分為周期光纖光柵與非周期光纖光柵，其中周期光纖光柵是最普通和常用的。若按照折射率變化的周期長短，光纖光柵可以分作長周期光柵和短周期光柵兩類。短周期光柵又被稱作布拉格光柵（簡稱FBG），光柵的周期一般小于1μm；長周期光柵又被稱作傳輸光柵（簡稱LPG），光柵的周期大于1μm。布拉格光柵是一種在光纖中制成的折射率周期變化的光柵，其周期不同，反射光的波長也不同。當(dāng)這種帶有布拉格光柵的光纖受到拉伸或壓縮以及所處溫度發(fā)生變化時，其周期發(fā)生變化，從而反射光的波長也改變，通過測量反射光波長的變化即可得知光纖所受的應(yīng)變或所處的溫度值[1]。

光纖傳感技術(shù)作為工程領(lǐng)域的一項高新前沿技術(shù)，在軌道交通、橋梁、軟土地基、滑坡監(jiān)測等方面已有較多應(yīng)用[1-3]，既有短期的檢測測量，也有長期的動態(tài)監(jiān)測。目前工程上采用的光纖傳感器測量系統(tǒng)主要由4部分組成：光源、光信號傳輸、傳感頭、光電轉(zhuǎn)換及信號處理。同傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖光柵傳感器在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢。光纖傳感技術(shù)也存在不成熟之處，如成本價格相對較高、易受到外部環(huán)境影響（溫度、濕度等）、材質(zhì)脆弱等缺點。

目前在既有房屋監(jiān)測領(lǐng)域，間斷性測量是常用的方法，多采用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、裂縫刻度儀等儀器人工監(jiān)測房屋的沉降、傾斜、裂縫。傳統(tǒng)房屋監(jiān)測儀器存在一定的局限性，如安裝困難、監(jiān)測范圍小、長期穩(wěn)定性差、不能及時準(zhǔn)確地傳遞給建設(shè)、管理和維修等部門所需要的信息。因價格昂貴等原因，雖然目前光纖傳感技術(shù)在房屋監(jiān)測中已有少量應(yīng)用，但主要用于保護(hù)建筑等重要建筑物。為探索如何在既有房屋監(jiān)測中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，本文通過上海市某基坑施工影響周邊房屋監(jiān)測項目，采用傳統(tǒng)人工測量技術(shù)和光纖傳感技術(shù)（FBG）對房屋進(jìn)行施工影響監(jiān)測，以對比研究光纖傳感技術(shù)（FBG）在房屋監(jiān)測中的應(yīng)用方法和實際效果。

1 工程概況

上海某項目，擬建地上建筑1棟局部17層塔樓的高層建筑，塔樓高度不超過82m，設(shè)有4層裙房和2層地下室。該項目總建筑面積25 344m2，其中地上面積18 806m2，地下面積6 538m2。項目基坑面積3 057m2，基坑延長220.6m，基坑開挖深度約11m。位于基坑施工影響范圍內(nèi)的房屋共有9幢，本次選取對其中的4#建筑物沉降、傾斜及裂縫發(fā)展進(jìn)行監(jiān)測。

4#建筑物由2個4層混凝土框架結(jié)構(gòu)組合而成，中間設(shè)置伸縮縫。南側(cè)的建筑物為4-1#，北側(cè)為4-2#建筑物。其中4-1#建筑物總高12.8m，為兩跨5開間的混凝土框架結(jié)構(gòu)，開間間距為4m，兩跨跨度均為6m，建筑物總寬12m，總長20m。4-1#建筑物與基坑施工的最近距離為10.3m（圖1、2）。

圖1 4#建筑物與基坑施工的平面關(guān)系

圖2 4#建筑物與基坑施工的剖面關(guān)系

2 監(jiān)測方案

在本次監(jiān)測中，同時采用光纖傳感技術(shù)和人工測量技術(shù)對房屋進(jìn)行監(jiān)測，在相同位置設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測和對比。

在光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)中，光纖傳感器兩端均為聯(lián)絡(luò)通信線，光纖傳感器的信號可以通過兩端連接到主機(jī)。本次現(xiàn)場共使用5個傳感器，因數(shù)量較少，可直接通過部分串聯(lián)的形式將所有傳感器連接到主機(jī)上，其中Q-1與C-1串聯(lián)，L-1與L-2串聯(lián)，C-2單獨一根網(wǎng)線，上述3根光纜連接到控制主機(jī)上。主機(jī)內(nèi)部設(shè)置無線模塊，無線模塊通過Internet網(wǎng)與控制端進(jìn)行連接，控制端設(shè)置在室內(nèi)辦公地點。

2.1 傾斜監(jiān)測

2.2 沉降監(jiān)測

圖3 監(jiān)測點布置圖

圖4 現(xiàn)場安裝好的光纖傾斜計

圖5 現(xiàn)場安裝好的光纖水準(zhǔn)儀

2.3 裂縫監(jiān)測

根據(jù)前期墻體觀測的情況，選取4-1#樓與4-2#樓伸縮縫處較明顯的裂縫（此處沒有結(jié)構(gòu)上的意義，本文主要為探索性的對比分析，具體位置見圖3），監(jiān)測該處的兩條裂縫寬度。其中一條為伸縮縫形成的裂縫，定義此裂縫編號為L-1，位于4-1#和4-2#建筑物中間；另外一條位于4-1#建筑物圍護(hù)墻體上的裂縫，定義此裂縫編號為L-2（圖6、7）。光纖傳感監(jiān)測中，裂縫寬度采用光纖裂縫計，從一道支撐拆除開始，到二道支撐拆除為止，全過程進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)采集。光纖傳感監(jiān)測中，需要通過溫度傳感器進(jìn)行溫度修正，分別在L-1、L-2監(jiān)測點安裝溫度傳感器。人工測量方案中，采用裂縫刻度儀進(jìn)行裂縫監(jiān)測。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

采用光纖傳感技術(shù)和人工測量技術(shù)兩種方式，本次監(jiān)測共進(jìn)行了26d，采集了2個監(jiān)測點相對沉降值、2個監(jiān)測點裂縫寬度值和1個監(jiān)測點傾斜值。光纖傳感采集頻率為1hz，每分鐘產(chǎn)生60個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大，本文列出的為每隔1h的數(shù)據(jù)。

以C-2處監(jiān)測點數(shù)據(jù)為例，兩種方式所監(jiān)測的相對沉降值對比分析見圖8。對于相對沉降值，光纖傳感監(jiān)測和傳統(tǒng)人工測量結(jié)果的發(fā)展趨勢相同，數(shù)值雖存在一定的差異但數(shù)值大致接近。光纖傳感監(jiān)測中日內(nèi)相對沉降值出現(xiàn)周期性波動，可見光纖傳感器測量相對沉降時受環(huán)境溫度影響較大，但總體上能夠反映房屋相對沉降的變化趨勢。

兩種方式所監(jiān)測的傾斜率對比分析見圖9。因本次監(jiān)測的建筑物在監(jiān)測期間的傾斜變化較小，導(dǎo)致利用兩種監(jiān)測方式所采集的數(shù)據(jù)在一個較小范圍內(nèi)波動，兩者之間的對比結(jié)果不明顯。

圖6 L-1處現(xiàn)場安裝的裂縫計

圖7 L-2處現(xiàn)場安裝的裂縫計

圖8 兩種測量方法中C-2處相對沉降對比圖

兩種方式所監(jiān)測的L-1處裂縫寬度值對比分析數(shù)據(jù)見圖10。兩種方式所監(jiān)測的裂縫寬度發(fā)展趨勢相同，裂縫寬度數(shù)值基本接近。本次對比結(jié)果說明對于存在寬度的一定裂縫，傳統(tǒng)人工測量和光纖傳感技術(shù)測量效果都較好，數(shù)據(jù)較為可信，但光纖傳感技術(shù)可以不間斷、實時監(jiān)測裂縫發(fā)展情況。因L-2監(jiān)測點處裂縫寬度太小，無法通過傳統(tǒng)人工測量方式進(jìn)行測量，故對比結(jié)果不再給出。

從對相對沉降、傾斜和裂縫發(fā)展的監(jiān)測結(jié)果看，光纖傳感器可以24h不間斷測量，彌補了人工測量的缺點，利用光纖傳感技術(shù)可以實時掌握相對沉降、傾斜和裂縫的發(fā)展趨勢，基本滿足房屋實時監(jiān)測的需要。在本次監(jiān)測中，雖然通過溫度傳感器對溫度進(jìn)行了線性修正，但光纖傳感器受溫度等環(huán)境因素的影響仍然比較大，因此在應(yīng)用光纖傳感技術(shù)進(jìn)行房屋監(jiān)測時，應(yīng)注意盡可能消除環(huán)境所帶來的影響。

圖9 兩種測量方法傾斜對比圖

圖10 兩種測量方法中L-1處裂縫寬度發(fā)展對比圖

4 結(jié)語

光纖傳感技術(shù)作為一種前沿的自動化監(jiān)測信息技術(shù)，可以自動采集監(jiān)測信息且不受人工影響，在應(yīng)用于房屋監(jiān)測領(lǐng)域時能夠24h不間斷監(jiān)測房屋沉降、傾斜和裂縫等信息，可以實時掌握房屋沉降、傾斜和裂縫的發(fā)展趨勢，為房屋監(jiān)測提供了有效的技術(shù)手段，特別是在房屋安全預(yù)警等方面具有較好的應(yīng)用價值。實際工程中，可以根據(jù)項目自身特點，將光纖傳感技術(shù)與其他測量技術(shù)結(jié)合使用，發(fā)揮各種監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，取長補短，以更有效地開展房屋監(jiān)測工作。

[1]史彥新,張青,孟憲瑋.分布式光纖傳感技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2008, 38(5):820-824.

[2]莊一兵, 詹龍喜,許準(zhǔn),丁勇.基于光纖光柵技術(shù)的地鐵隧道沉降監(jiān)測[J].上海國土資源,2012,33(3):76-78.

[3]王建平.光纖光柵傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,,33(1):77-80.

Exploration of Application of Optical Fiber Sensing Technology in House Monitoring

In order to explore the effect of applying optical fiber sensing technology in house monitoring, it monitored data of relative settlement, inclination and crack development of house with both optical f i ber sensing technology and traditional manual measuring technology, and carried out comparative analysis to results obtained from such two measuring methods. The results show that the optical f i ber sensing technology is basically close to traditional manual measuring.

optical f i ber sensing technology, relative settlement, inclination, crack development

2016-03-31）

李超，上海市房屋安全監(jiān)察所工程師。